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Mehrphasen-Kommutatormaschine mit Kompensationswicklung und ausgeprägten
Polen.
Die bisher bekanntgewordenen ständererregten Mehrphasenkommutatormaschinen sind mit Rücksicht auf die Kommutierung bei grösseren Leistungen mit ausgeprägten Polen, u. zw. bei Drehstrom mit drei Polen pro magnetischem Kreis ausgeführt worden. Hiebei geht die Erregung der Maschine in der Regel von fremden Quellen aus oder von den Kommutatorbürsten der Maschine selbst. Jede Regelung der Kommutatorspannung muss also an der mit niederfrequentem Strom gespeisten Erregerwicklung auf den Polen erfolgen.
In vielen Fällen ist dies unerwünscht. weil in dieser Wicklung die Ohmschen und induktiven Widerstände infolge der geringen Frequenzen nahezu gleich sind und bei Änderungen der Frequenz die erforderlichen Ohmschen und induktiven Spannungskomponenten sich in ihrem gegenseitigen Verhältnis stark verändern.
Bei der Anordnung nach der Erfindung wird die ständererregte Mehrphasenkommutatormaschine mit ausgeprägten Polen noch vom Läufer aus über Schleifringe erregt. Durch die Läufererregung wird der Maschine eine Spannung zugeführt, welche das Feld festlegt. Die Zuführung dieser Spannung kann mit höherer Frequenz erfolgen, so dass in diesem Kreise die Ohmsche Spannungskomponente gegen- über der induktiven vernaehlässigbar ist. Ferner bleibt bei irgendwelchen Regelvorgängen die Frequenz im Läuferkreis konstant, so dass eindeutige Verhältnisse herrschen. Die beiden Erregerkreise, nämlich die Erregung im Anker der Maschine über Schleifringe und die Erregung auf den Polen des Ständers teilen sich in die Aufbringung des Magnetisierungsstromes, so dass je nach Wunsch die Schleifringe entlastet werden können.
Die Doppelerregung einer Kommntatorhintermaschine ist an sich bereits bekannt. Die Kommutatorhintermasehinen besitzen dabei aber keine ausgeprägten Erregerpole im Ständer. Die Übertragung dieser Doppelerregung auf Maschinen mit ausgeprägten Erreger-und Wendepolen im Ständer erscheint zunächst nicht vorteilhaft, da das durch die Läufererregung der Maschine erzeugte annähernd sinus, förmige Drehfeld nicht nur die Erregerpole, sondern auch die Wendepole im Ständer durchsetzt und das hier vorhandene Wendepolfeld in unzulässiger Weise beeinflusst. Es zeigt sieh aber, dass die Doppelerregung trotzdem vorteilhaft ist, da das Erregerfeld nur zum geringen Teil vom Läufer aus erzeugt wird, so dass die störende Beeinflussung des Wendepolfeldes durch die Läuferamperewindungen nur gering ist, bzw. vernachlässigt werden kann.
Anderseits sind jedoch dann die sonstigen Vorteile der Doppelerregung und die Vorteile der Wendepole (Kommutierung) vorhanden.
In Fig. 1 der Zeichnung ist die neue Anordnung an einem Beispiel veranschaulicht. 41 sind die Pole der dreiphasigen Kommutatormasehine mit der niederfrequenten Strom führenden Erregerwicklung 42. 43 ist die Ankerwieklung ; diese ist in bekannter Weise als Gleichstromwicklung mit gegen- über einer normalen Gleichstromtrommelwicklung auf zwei Drittel verkürztem Wicklungsschritt ausgeführt, so dass die beiden Seiten einer Windung zu gleicher Zeit unter den Polen 41 zu liegen kommen. Die Ankerwicklung ist nun noch mit Schleifringen 44 versehen, iiber die die Maschine mit einer Spannung höherer Frequenz ebenfalls erregt wird. Die Maschine besitzt noch im Ständer eine nicht gezeichnete Kompensationswicklung zur Aufhebung des Ankerrüekwirkungsfeldes des über die Bürsten fliessenden Belastungsstromes.
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Die vorstehend beschriebene kompensierte läufer-und ständererregte Kommutatormaschine mit ausgeprägten Polen eignet sich wegen ihrer hervorragendenEigenschaften besonders als Hintermaehiue
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maschine in sich vereinigt, ohne deren Nachteile zu besitzen. Mit der läufererregten Kommutator- hintermasehine teilt sie die Eigenschaft, dass man ihr ohne weiteres eine Erregerspannung aufdrücken kann, deren Grösse und Phasenlage sich z. B. durch Transformatoren oder Erregerumformer fest beherrschen lässt ; ausserdem ist ein vollkommen stabiles Durchschreiten der synchronen Drehzahl möglich. Die Ständererregung bringt in Verbindung mit den ausgeprägten Polen den wichtigen Vorteil mit sieh, dass die Kommutierung ohne jede Schwierigkeit vor sich geht.
Einige besonder zweckmässige Erregerschaltungen von Kaskaden mit asynchroner Vordermaschine, bei denen als Hintermasehine eine läufer- und stänmdererregte Kommutatormaschine gemäss der Erfindung verwendet wird, sollen nachstehend erläutert werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Kaskadenschaltung mit einer dreiphasigen
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schlossen, die mit der Kommutatorhintermaschine 3 mechanisch gekuppelt ist. Der Läufer der Hauptmasehine 2 ist über Schleifringe 6 und einen Anlasser 7 mit der in Reihe zum Anker liegenden Kompen-
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gelegt. Die Regelung der Kaskade 2, 3 erfolgt nun derartig, dass in der Nähe der synchronen Drehzahl die zur Erregung der Hintermaschine 3 erforderliehe drehzahlbestimmende Spannung dem Läuferkreis der Hintermaschine durch den Stufentransformator 9 aufgezwungen wird, während bei vom Synchronismus abweichenden Drehzahlen die Regelung zweckmässig durch Verstellen des der Ständererregerwieklung vorgeschalteten Stufentransformators 8 erfolgt.
Es ist leicht ersichtlich, dass es mit dieser Anordnung ohne weiteres möglich ist, grosse Regelbereiche zu beherrschen und einen stabilen Durchgang durch den Synchronismus ohne Zuhilfenahme besonderer Kunstsehaltungen zu erzielen. Wird eine Pufferung gefordert, so wird man zweckmässig die Leerlaufsdrehzahl des Satzes 2, 3 mit Hilfe der Ständererregung einstellen und den zusätzlichen Drehzahlabfall m't Hilfe des im Netzfrequenzkreis liegenden Verbundtransformators 10 erzwingen ; es hat dies gegenüber einem im Sehlupfstromkreis liegenden Verbundtransformator den Vorteil erheblich geringerer Abmessungen des Transformatoreisens.
Es ist übrigens nicht unbedingt erforderlich, dass die Ständerwicklung der Kommutatorhintermaschine 3 im Nebenschluss zum Schlupfstromkreis erregt wird ; es kann statt dessen auch Reihenschluss- ständererregung oder Doppelsehlusserregung der Ständerwicklung vorgesehen werden.
Eine andere Ausführungsform einer Kaskade mit ständer-und läufererregter Hintermaschine
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lungen 12 und13, welche beide an den Schlupfstromkreis der Vordermasehine angeschlossen sind. Die Erregerwicklung 12 ist über eine Drosselspule 14, die Erregerwicklung 13 über einen Ohmschen Widerstand 15 an den Schlupfstromkreis gelegt. Der Ohmsche Widerstand ? J ist zweckmässig so bemessen, dass sein Spannungsabfall die Induktivität im ganzen Regelbereieh überwiegt. Die Hintermaschine 11 wird ferner über den Läufer und einen Transformator 16 mit Netzfrequenz erregt.
Die Wirkungsweise der Anordnung lässt sich. am einfachsten an Hand der Schaulil1ien der Fig. 4 erläutern, in w eleher die
Spannungen über den Schlupf aufgetragen sind. Bezeichnet E2s die Schlupfspannung des Hauptmotor, so wird die Gegenspannung, welche die Erregerwicklung 13 in der Maschine erzeugt, entsprechend dem Linienzug 17 verlaufen.
Denkt man sich die Läufererregung zunächst abgeschaltet, so wäre ein unterund übersynchrones Arbeiten des Satzes unmöglich. Wird dagegen der Hintermasehine läuferseitig eine drehzahlbestimmende Spannung vom Betrage 18 aufgedrückt, so verläuft die resultierende drehzahlbestimmende Spannung der Hintermaschine entsprechend der Linie 19, d. h. der Satz verzögert sich mit zunehmender Belastung von einer übersynchronen Drehzahl durch den Synchronismus hindurch in den untersynchronen Drehzahlbereich. Durch passende Einstellung der Erregung der Ständerwicklung ? bzw. der Phasenlage der Erregerspannung im Läuferkreis der Hintermaschine ist man in der Lage, einen gewünschten Leistungsfaktor innerhalb des Regelbereiches zu erzielen.
Die zuletzt beschriebene Kaskade wird sich vornehmlich überall dort zweckmässig verwenden lassen, wo Schwungmassen zu entladen sind wie bei Ilgner-Umformern oder durchlaufenden Walzenstrassen. Es ist dabei nicht erforderlich, zusätzliche Regeleinrichtungen wie Eilregler oder dgl. zu verwenden. Die Drehzahlcharakteristik kann durch Verstellen des Widerstandes 15 bestimmt werden. Arbeiten Antriebe sowohl im motorischen als auch im generatorischen Bereich, wie dies z. B. bei ngnerMotoren für Fördermaschinen der Fall ist, so bleibt die Phasenkompensation auch im generatorischen Bereich erhalten, ohne dass es erforderlich wäre, an einem der Erregerkreise eine Umschaltung vorzunehmen.
Für besonders schwierige Regelbedingungen wird es sich nicht umgehen lassen, Erregerumformer für die Erregermasehine vorzusehen, um Regelstromkreise mit geringer Stromstärke zu erhalten, die einer selbsttätigen Regelung leicht zugänglich sind und um sämtlichen Anforderungen zu entsprechen,
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die an die Drehmomentcharakteristik gestellt werden können. Eine der möglichen Ausbildungsformen zeigt Fig. 5.
Die Erregung des Hintermaschinenstromkreises wird hier von einem Erregerumformer 20, 21, 22 aus vorgenommen, welcher aus einem an das Netz angeschlossenen synchronen Antriebsmotor 20, aus einer ständererregten Kommutatormaschine 21, welche die Ständererregerwieklung 24 der Hintermaschine 28 speist, und aus einer synchronen Drehfelderregermaschine 22 besteht, die die Läufererregung der Hintermaschine besorgt. Die Maschine 21 kann als Reihenschlussgenerator oder als kompensierte Erregermaschine ausgeführt sein. Will man eine abfallende Charakteristik erzielen, d. h. einen Schlupf der Hauptmaschine, der proportional seiner Stromaufnahme ist, so kann man dazu den im Erregerkreis der Ständerwicklung liegenden Widerstand 25 verwenden.
Dieser Widerstand könnte aber auch im Erregerstromkreise der Erregermasehine 2. ? liegen. Die synchrone Drehfelderregermasehine 22 besitzt im Ständer zwei mit Gleichstrom erregte Wicklungen 26 und 27, deren magnetische Achsen aufeinander senkrecht stehen. Die eine Wicklung 26 erzeugt drehzahlbestimmende Spannungen in der Hintermaschine 28. Sie kann in Abhängigkeit von beliebigen Betriebszuständen des Maschinensatzes oder des Netzes mit Hilfe von Eilreglern od. dgl. gesteuert werden. Die zweite Erregerwicklung 27 erzeugt in der Hintermaschine nur kompensierende Spannungen. Sie wird zweckmässig entweder von Hand auf einen bestimmten Leistungsfaktor bei Vollast eingestellt oder von einem Leistungsfaktorregler selbsttätig beeinflusst.
In dieser Ausführung eignet sich der Satz vorzugsweise für besonders scharfe Regelbedingungen
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zahlabfall selbsttätig erreicht wird ; falls aber dieser Drehzahlabfall noch nicht ausreichend ist, kann der Regler 28 der Drehfelderregermaschine 22 bei bestimmten Betriebszuständen einen zusätzlichen Drehzahlabfall erzeugen. Ähnliche Bedingungen liegen auch beim Regelsatzumformer zur Kupplung
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Hintermaschine 23 zu erlangen, die Bürsten 30 verstellen, bis das Netz auf Spannung kommt. Hierauf wird man den Erregerumformer 20, 21, 2 : in Betrieb nehmen und die gewünschte Vollastspannung mit Hilfe eines Spannungsreglers 31 in der Wicklung 27 erzwingen und hierauf eine bestimmte Leerlaufdrehzahl des Asynehrongenerators 29 einstellen.
Auch ist es möglich, um den Vorteil festgestellter Bürsten zu wahren, nach Inbetriebnahme der Kraftmaschine die Maschine dadurch vorzumagnetisieren, dass man ihrem Läuferkreis einen kleinen Spannungsimpuls aufdruck, worauf die Maschine auf annähernd richtige Frequenzspannung kommt, der Erregerumformer in Betrieb genommen und der Generator belastet wird.
Es ist nicht erforderlich, die ständer- und läufererregte Kommutatorhintermaschine mit dem Vordermotor mechanisch zu kuppeln, es kann auch ohne weiteres zu einer rein elektrischen Kupplung gegriffen werden. Ein Ausführungsbeispiel hiefür zeigt Fig. 6. Die Hintermaschine 82 ist mit einer synchronen Belastungsmaschine 33 gekuppelt, welche auf das Netz 34 zurück arbeitet. Auf der Welle der Induktionsmaschine 35 ist die Drehfelderregermaschine. 36 angeordnet, die ähnlich wie die Maschine 22 nach Fig. 5 ausgebildet ist.
Sie übernimmt die Erregung der Hintermaschine. 32 und drückt deren
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Hintermaschine wird einerseits im Ständer über einen Transformator 37 erregt ; zusätzliche Regelbedingungen lassen sich durch Beeinflussen der Erregerwicklungen der Maschine 86 mittels der Regler 38 und 39 erfüllen.
Während die Ausführung nach Fig. 6 eine synchrone Belastungsmasehine erfordert, die unter Umständen zu Pendelungen neigt, falls an das Netz noch Gasmaschinen oder sonstige Kolbenmaschinen angeschlossen sind, kann man einen pendelungsfreien Satz mit asynchroner Belastungsmasehine nach Fig. 7 erhalten. Mit der Kommutatorhintermaschine 40, die wieder mit Läufer-und Ständererregung gemäss der Erfindung versehen ist, ist eine asynchrone Belastungsmasehine 41 gekuppelt, ausserdem sitzt auf der Hintermaschinenwelle noch eine läufererregte kompensiert Kommutatormaschine 42.
Ihr Läuferkreis ist über zwei Transformatoren 43 und 44 an das Netz angeschlossen ; der Transformator 43 ist so geschaltet, dass er im wesentlichen drehzahlbestimmende Spannungen hervorruft, während der Transformator 44 lediglich zur Phasenkompensation dient. Beide Transformatoren sind regelbar. Die Kommutatorerregermasehine 42 speist eine Asynchronmaschine 45, die mit dem Hauptmotor 46
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Auch dieser Maschinensatz ist im motorischen und generatorisehen Sinne verwendbar : die Ständererregung der Hintermaschine 40 kann entweder, wie nach Fig. 6 unmittelbar vom S : hlupfstromkreis des Hauptmotors 46 über einen Transformator 47 oder auch aus einer besonderen Erregermasehine entnommen werden.
Für besonders'grosse Leistungen, wie sie z. B. Netzkupplungsumformer fordern, wird man zwei Hintermaschinen der beschriebenen Art vorsehen. Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig. 8. An die offene Läuferwicklung der Hauptmaschine 48 sind über Schleifringe 51, 5 : 3 zwei läufer- und ständer-
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welle ist noch eine vom Schlupfstromkreis erregte kompensierte Erregermaschine 57 angeordnet, die ihrerseits die Ständererregerwieklungen 58 und 59 der beiden Hintermaschinen 49, 50 versorgt. Auch diese Schaltung lässt sich für motorischen und generatorischen Betrieb verwenden, wobei die Maschinen mit jeder beliebigen Phasenvoreilung arbeiten können.
Es kann auch Gegenerregung der Hintermaschine vorgesehen werden, die bekanntlich zu einer erhöhten Blindleistungsaufnahme der Hauptmasehine führt, was für die Spannungshaltung in Kabel-oder Hochspannungsnetzen bei vorwiegendem Betrieb der Maschinensätze als asynchrone Blindleistungsmasehinen erwünscht sein mag.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mehrphasenkommutatormasehine (insbesondere als Kommutatorhaupt-oder Hilfsmaschine für die Regelung von Asynchronmaschi : : en) mit Kompensationswieklung und ausgeprägten Polen am Ständer, auf denen sich ein vom eigenen Kommutator aus oder von einer fremden Stromquelle mit Kommutatorfrequenz gespeiste Erregerwicklung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Läuferwie, klung der Kommutatormasehine über Schleifringe eine Erregerspannung von wesentlich höherer Frequenz als die Kommutatorfrequenz zugeführt ist.